摘要/前言

在毫米波設計中，壓縮安裝連接器通常用于避免與焊接變化相關的問題。然而，在使用壓縮安裝連接器時，應考慮到針腳壓縮以及錯位對高頻電氣性能的潛在影響。

對于毫米波設計而言，壓縮安裝連接器相比焊接連接具有顯著優勢。例如，它們避免了回流焊可能導致的性能下降，能夠實現高性能的毫米波頻率，在印刷電路板（PCB）設計過程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復使用。

——白皮書概要

基于建模和測量數據，本白皮書調查了錯位和針腳壓縮如何影響實際設計。它還解釋了如何檢測和避免問題，以優化性能并完成成功的設計。

——作者簡介

——Michael Griesi在南卡羅來納大學獲得了電氣工程學士和碩士學位，專注于信號完整性。他在電磁學領域具備豐富的背景，涵蓋數字高速、無線和被動射頻應用的設計、仿真模擬、驗證和自動化，擁有20年的經驗。

——Zak Speraw?是Samtec的射頻設計工程師，專注于信號完整性，在高速數字和射頻互連以及高速PCB分線的設計、優化和測量方面擁有豐富的行業經驗。

——Edwin Loy?是Samtec的資深光機械設計工程師，在加州大學伯克利分校獲得了機械工程學士學位，擁有25年的光電電子元件機械設計、封裝和工藝開發經驗。Edwin 熱衷于使用仿真模擬和測量進行實驗和驗證的第一原理設計方法。

——Sage Wronowski?在賓夕法尼亞州西徹斯特大學獲得了物理學學士學位，是Samtec的射頻設計工程師，擁有5年的射頻互連經驗。專業領域包括射頻互連的建模、設計、測試和仿真模擬。

本次，我們將分為上中下三期，為大家帶來完整版白皮書，并在最后一期提供完整漢化版的下載鏈接。

關于針腳壓縮的問題

當將壓縮安裝連接器降低并放置在PCB上時，通過非鍍銅的鉆孔將連接器用螺栓固定在PCB 上，連接器被成功“安裝”。信號針在連接器本體接地到PCB銅層之前會接觸PCB（見圖 1）。需要了解的重要一點是：當我們擰緊安裝硬件時，針腳是否會向 PCB 內部推進？如果是這樣，它是否會對PCB層產生一定程度的影響，從而降低連接器或PCB發射的電氣性能？

圖 1：左圖顯示了連接器安裝在 PCB 上，右圖顯示了針腳在連接器本體之前與 PCB 接觸，突顯了在固定時可能將針腳壓縮到 PCB 內部的隱患。

我們在HFSS中使用電磁仿真來確定針腳壓縮的可能敏感性，通過假設的壓縮深度來模擬針腳壓縮。證據表明，電氣性能對針腳壓縮是敏感的。當針腳和焊盤對齊時，電壓駐波比（VSWR）在標稱阻抗（見圖 2）下達到最優狀態。在圖 2 中，左上圖顯示了時域中的阻抗，左下圖顯示了在0 mil 壓縮（藍色曲線）時，從直流到90 GHz的整個帶寬內 VSWR的模擬結果為 1.2:1 或更好。

圖 2：在假設的仿真模擬中，當針腳和焊盤對齊時，VSWR 處于最佳狀態，阻抗正常（右側圖顯示 HFSS 模擬，左側圖顯示性能）。隨著針腳將焊盤推入介質中，焊盤與返回平面耦合，阻抗發生變化，因此 VSWR 增加。

請注意，隨著焊盤被進一步推入介質（0.5 mil），性能會下降到65 GHz時的 1.3:1 VSWR。

在這個模擬的第二次迭代中，如果信號焊盤具有較小程度的針腳壓縮（比PCB表面低0.7 mil，并推入介質中），它將與返回平面耦合。阻抗會發生變化，VSWR 會增加（見圖 2，紅色曲線）。在信號從連接器傳輸到PCB的過程中，大約在信號軌跡的50 ps處，存在更多的電容，因此阻抗更低，這會影響 VSWR。有趣的是，從直流到65 GHz對 VSWR 的影響很小。然而，超過65 GHz后，VSWR 增加到90 GHz時的 1.4:1，而在標稱狀態下為 1.2:1。

在本研究的第三次也是最后一次迭代中，焊盤被建模為經歷了 1.4mil 的壓縮（見圖 2，綠色曲線）。在50 ps時，阻抗曲線再次顯示出更大的下降。在這種情況下，VSWR 從40 GHz開始增加，達到90 GHz時增加最大值為 1.6:1，而標稱狀態下為 1.2:1。

這項研究證實，如果發生針腳壓縮，帶寬和性能可能會受到影響。在研究的這一階段，針腳壓縮是假設的。為了預測它是否會發生以及發生的程度，需要進一步的研究。因此，我們啟動了一個項目，創建了詳細的模型來回答以下問題：我們能否準確預測機械壓縮以及我們學到了什么？機械變形對電氣性能的影響是什么，如何最小化這種影響？

建模針腳壓縮

為了探索機械針腳壓縮的可能性和程度，我們將圖 1 所示的連接器和PCB模型導入到Ansys Mechanical中。在應用典型的模型準備步驟之后，如將通孔與平面連接、應用材料屬性和細化四面體網格，我們使用螺栓預緊力模擬將施加在安裝螺栓上的扭矩與軸向力聯系起來，從而有效地“安裝”或緊固連接器（見圖 3）。需要注意的是，連接器圖紙上提供了推薦的扭矩值；在這種情況下，推薦的安裝扭矩為 0.5 至 0.8 英寸-磅。

圖 3：螺栓預緊力模擬將扭矩與軸向收縮聯系起來。

按照推薦的安裝扭矩，對螺栓施加了標稱為 0.6 英寸-磅的扭矩（等于 257 N）。該模型使用了Isola的Tachyon 100G PCB介質層的材料特性。有趣的是，結果顯示只有輕微的變形，這與物理截面圖像（圖 4）相吻合。然而，也注意到連接器內部的珠狀結構發生了變形，并且制造公差允許針腳位移，最終最小化了針腳對PCB的壓縮，這對我們的假設電氣模擬是一個令人鼓舞的消息。

圖 4：左圖顯示 PCB 銅層頂部有輕微變形，焊盤輕微壓縮到介質中，與物理截面圖相吻合。右圖顯示內部連接器珠狀結構遠離 PCB，如紅色曲線所示。

我們考慮了另外兩種情況，以確定在安裝過程中扭矩過大或相對較軟的PCB材料可能會產生的影響。對于扭矩過大的情況，施加了 0.9 英寸-磅的扭矩（小于 386N）。結果非常有趣，顯示了 PCB 在連接器周圍翹曲，但未增加針腳壓縮。更令人驚訝的是，較軟的PCB介質材料也會導致PCB在連接器周圍翹曲，而不會增加針腳壓縮，但這次只施加了0.2 英寸-磅的扭矩（約 100N）（見圖 5）。這意味著PCB翹曲可能是主要問題，而不是針腳壓縮。

圖 5：左圖顯示了 PCB 在連接器周圍翹曲，這與右圖所示的類似壓縮安裝連接器觀察到的情況相符。

最終，這些模擬的結論是：

在安裝連接器時使用推薦的 0.5 至 0.8 英寸-磅的扭矩，可以將針腳壓縮最小化為PCB銅層頂部的輕微變形，而不是整個焊盤過度位移至介質中。

過度扭矩和較軟的PCB材料導致PCB翹曲（而不是過度的針腳壓縮）。

目視檢查可以為用戶提供反饋，以確定意外的PCB翹曲。

小 結

本文為系列第一期，引出了針腳壓縮安裝的前置步驟，接下來的步驟是利用這些結果來模擬對電氣性能的潛在影響。我們將Ansys Mechanical中的結果網格導出為STL格式。

關于使用壓縮安裝射頻連接器的最常見問題之一是：針腳壓縮和/或錯位對系統性能有何影響？答案很復雜，因為很難甚至不可能判斷針腳是否發生了壓縮，或者連接器是否錯位。

在后續兩篇中，我們將針對這些問題逐步分享，并提供完整版的下載渠道。

請持續關注我們，作為勵精圖治多年的連接器專家，Samtec有很多想要與您分享~